李俊業(yè)，唐紅梅，陳洪凱，曾 蓉

(重慶交通大學巖土工程研究所，重慶 400074)

考慮飽和-非飽和滲流作用的重慶奉節(jié)鶴峰鄉(xiāng)場鎮(zhèn)滑坡穩(wěn)定性分析

李俊業(yè)，唐紅梅，陳洪凱，曾 蓉

(重慶交通大學巖土工程研究所，重慶 400074)

巖土體中由于孔隙水壓力的存在使得力學性狀的分析變得更加復雜化，對飽和-非飽和滲流場的研究一直是巖土工程界的一大難點問題。基于三峽水庫的庫水位調(diào)度方案與實測月的降雨資料，分三種工況以極限平衡原理和Morgenstern-Price條分法為基礎(chǔ)對重慶奉節(jié)鶴峰鄉(xiāng)場鎮(zhèn)滑坡進行了瞬態(tài)穩(wěn)定性分析，研究了水分在坡體內(nèi)的運移對邊坡穩(wěn)定性的時間影響效應。研究表明:場鎮(zhèn)滑坡在庫水位為145m與降雨耦合情況下，穩(wěn)定系數(shù)1.15，不會失穩(wěn)產(chǎn)生滑動;在降雨與庫區(qū)水位175m和175m陡降至145m等因素耦合情況下失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)介于0.94～1.10，處于極限平衡狀態(tài)及不穩(wěn)定狀態(tài)。

工程地質(zhì);飽和-非飽和滲流;穩(wěn)定性分析;耦合;滑坡;三峽庫區(qū);重慶市奉節(jié)

0 引言

降雨是誘發(fā)滑坡的主要因素之一，目前，國外研究降雨入滲條件下的飽和-非飽和滲流場以及滑坡穩(wěn)定性的成果很多。Nurly Gofar等［1］對降雨情況下的壩坡內(nèi)的滲流場及壩坡穩(wěn)定性進行了計算分析。DANG Thuong Huyen等［2］運用飽和-非飽和地下水流模型對地下水的滲流情況進行了數(shù)值模擬。Kassim等［3］對非飽和土層柱狀滲流場進行了的數(shù)值模擬。我國學者也有大量的關(guān)于對降雨入滲影響邊坡性狀的研究。吳長富［4］、尹小濤［5］、林鴻州［6］等對降雨條件下邊坡穩(wěn)定性變化進行了分析。廖紅建［7］、牛文杰［8］等對不同水位下的壩坡穩(wěn)定性變化規(guī)律進行了分析。趙明華等［9］分析了降雨對路基的浸潤作用，初步推導建立降雨作用下非飽和土路基的飽和-非飽和滲流公式。朱麗娟等［10］對降雨條件下非飽和黃土邊坡含水量變化規(guī)律進行了研究。研究雨水入滲引發(fā)滑坡的物理過程并建立定量分析模型是降雨與滑坡關(guān)系研究的重要方面，探求降雨條件下邊坡的瞬時滲流場是目前研究的難點所在。目前，對于降雨與庫水位耦合因素影響下的地下水非穩(wěn)定滲流分析方法尚待研究。

本文以重慶奉節(jié)鶴峰鄉(xiāng)場鎮(zhèn)滑坡為例，基于Fredlund提出的非飽和土抗剪強度理論，根據(jù)氣象觀測降雨資料和三峽水庫的庫水位調(diào)度方案的耦合情況，以極限平衡原理和Morgenstern-Price條分法為基礎(chǔ)對鶴峰鄉(xiāng)場鎮(zhèn)滑坡進行了瞬態(tài)穩(wěn)定性分析，分析了孔隙水壓力場的變化及基質(zhì)吸力在滑坡中所起的作用，為庫區(qū)滑坡的監(jiān)測、預報以及防治提供一定參考。

1 滑坡飽和-非飽和滲流模型

1.1 飽和-非飽和滲流控制方程

當?shù)叵滤宦癫剌^淺時，非飽和區(qū)土壤水的運動和飽和區(qū)水的運動是相互聯(lián)系的，將兩者統(tǒng)一起來即所謂飽和與非飽和問題。采用水頭h作為控制方程的因變量，對于各向異性的二維飽和—非飽和滲流控制方程［11］為(假設(shè)土骨架不變形、水體不可壓縮):

式中:kx、ky——x及y方向的飽和滲透系數(shù);

t——時間;

ρw——水的密度;

g——重力加速度;

邊界條件:

水頭邊界

流量邊界

式中:k——滲透系數(shù)張量;

n——邊界面單位法向矢量。

2 計算模型

2.1 地質(zhì)模型和初始條件

場鎮(zhèn)滑坡位于長江南岸奉節(jié)縣新遷鶴峰鄉(xiāng)，距離奉節(jié)縣老城約35km，屬中低山之構(gòu)造侵蝕—剝蝕深丘河谷地貌區(qū)，位于奉節(jié)縣長江南岸支流墨溪河與九盤河交匯處上游的三角形地帶，于墨溪河右岸斜坡下部，該段斜坡坡向北稍偏西，呈多級臺階狀，由山頂至河底，斜坡地勢呈緩→陡→緩→陡(滑坡后部)→緩(滑坡中部平臺)→陡(滑坡前緣墨溪河)，平臺地面坡度角一般 5°～10°，斜坡總體坡度角 20°～35°，地面高程140～400m，相對高差約260m?；聟^(qū)兩側(cè)均被沖溝切割，中部高程約210m，地形較緩，坡度角小于10°，上下部地形較陡、坡度角 25°～35°。根據(jù)地質(zhì)勘測資料，圖1為場鎮(zhèn)滑坡2-2’地質(zhì)剖面。其各結(jié)構(gòu)部位的物理力學計算參數(shù)選取見表1。

圖1 場鎮(zhèn)滑坡地質(zhì)剖面Fig.1 Geologic section of changzhen landslide

滑體主要由粉質(zhì)粘土、塊石土及滑動巖體組成，表層局部分布人工填土，厚度變化極大。塊石含量50% ～80%，粒徑一般0.2～0.5cm，其間充填的粉質(zhì)粘土呈可塑-硬塑，透水性好。厚度3.52～25.76m。

2.2 降雨邊界條件及計算方法

場鎮(zhèn)滑坡屬亞熱帶季風性濕潤氣候區(qū)，為了全面分析該滑坡的穩(wěn)定特性，在搜集奉節(jié)氣象站1957～1988年共32 a的降雨觀測資料［12］的基礎(chǔ)上，特選定1982年7月(15 d)日降雨量作為降雨條件下該滑坡的滲流邊界條件，降雨量歷時曲線見圖2。

表1 巖土計算參數(shù)表Table 1 Calculation parameters

圖2 奉節(jié)氣象站1982年7月下旬降雨資料Fig.2 Rainfall data of weather station in Fengjie in late July 1982

由于勘察時僅測定了各土層的飽和滲透系數(shù)，計算所用土-水特征曲線是根據(jù)滑體和滑帶飽和滲透系數(shù)大小和現(xiàn)場取土樣后室內(nèi)測得的土的粒徑級配曲線分布規(guī)律由 Van-Genuchten模型擬合［11］推求其得到的。非飽和土土-水曲線如圖3所示:

計算中采用地下水位為初始邊界，對地面降雨的模擬采用在地表處設(shè)置單位流量邊界，滲流計算時間步長為60s，共21600步。關(guān)于基質(zhì)吸力對抗剪強度的影響文獻［13、14］已經(jīng)做過了詳細的研究，本文采用Fredlund提出的考慮了負孔隙水壓力的非飽和土抗剪強度理論:

式中:ua、uw——空氣壓力和孔隙水壓力，本文中認為孔隙氣壓力等于大氣壓力;

c′、φ′——材料有效粘聚力和有效內(nèi)摩擦角;

φb——抗剪強度隨基質(zhì)吸力增加的速率，為基質(zhì)吸力的函數(shù)，文中假設(shè)φb為定值。

筆者在考慮負孔隙水壓力對滑坡坡穩(wěn)定性的影響時，采用了“總粘聚力”法［11］，在“總粘聚力”法中土的粘聚力 c值隨著基質(zhì)吸力的增大而增大，公式(4)變?yōu)槿缦滦问?

公式通過變形以后與飽和土的抗剪強度公式保持一致，基質(zhì)吸力產(chǎn)生的抗剪強度包括在土的粘聚力中。本文的計算中采用Morgenstern-Price法對庫水位與極端降雨耦合情況下的穩(wěn)定性進行評價。在穩(wěn)定性計算中將土體的粘聚力c的一項由上式修正，使之更加符合實際。

2.3 計算工況

對于三峽庫區(qū)的滑坡，最不利的因素是庫水位驟降和降雨同時作用［15］。這里采用三種計算方案:

①工況Ⅰ，庫水位145m+降雨作用;②工況Ⅱ，庫水位175m+降雨作用;③工況Ⅲ，庫水位降落+降雨作用，庫水位降速為1m/d。

3 結(jié)果分析

3.1 飽和-非飽和滲流分析

本文采用Geostudio軟件中的SEEP/W模塊對庫水位和降雨耦合情況下產(chǎn)生的滲流場進行數(shù)值模擬，模擬表明，降雨初期，降雨只作用到滑體前部，因此，地下水位沒有變化，但淺層基質(zhì)吸力明顯減小且表層局部出現(xiàn)暫態(tài)飽水區(qū);隨著降雨量與降雨持時的增加，雨水不斷向深部入滲，滑體基質(zhì)吸力進一步減小，上部暫態(tài)飽和區(qū)逐漸擴大，雨水繼續(xù)下滲并向坡腳匯聚，因此該部位飽和區(qū)域最先出現(xiàn)，并逐步向上推移;最后隨著降雨持時增加，坡腳處的飽和區(qū)開始與地下水位相互連通，地下水位有所上升。工況Ⅰ天然狀態(tài)和15d后、工況Ⅱ和Ⅲ下天然狀態(tài)和2.5d后，斜坡內(nèi)的孔隙水壓力場，如圖4、5、6所示:

工況Ⅰ時，地下水位以上基質(zhì)吸力(負孔隙水壓力)最大值為 40kPa，滑帶土基質(zhì)吸力最大值為30kPa左右，主要集中在滑帶土中上部。隨著降雨的持時增加，地下水位以上的最大基質(zhì)吸力逐漸由40kPa減少到10kPa，并且地表逐漸出現(xiàn)暫態(tài)的飽和區(qū)。工況Ⅱ時，滑帶土基質(zhì)吸力減小至8kPa左右。工況Ⅲ水位變化和強降雨耦合時，滑帶土基質(zhì)吸力減小至5kPa左右，且影響范圍明顯減小，底部滑帶土基質(zhì)吸力基本喪失，對于坡體穩(wěn)定安全不利。

圖3 非飽和土土-水曲線Fig.3 Soil-water characteristic curve of unsaturated soil

圖4 工況Ⅰ時不同時間下斜坡體內(nèi)孔隙水壓力分布圖Fig.4 Pressure field distribution of pore water in slope on conditionⅠin different time

3.2 坡體滲流特性變化與強度耦合分析

孔壓變化會引起應力應變的變化，應變的發(fā)生也會影響孔壓的改變。為了進一步得到滑坡發(fā)生的內(nèi)在原因，筆者繪制了工況Ⅲ(2.5d后)由計算得到的滑動面上某一點的土的抗滑強度與該點的水平坐標間的關(guān)系見圖7。

由圖7可以看出，滑動面的位置不同而導致非飽和土的強度變化呈現(xiàn)非線性變化規(guī)律，在距離為50m以內(nèi)的滑動面上，由于負孔隙水壓力的存在使得抗滑強度維持在一個較高水平，在接近100m處，由于上覆土層較厚，所以摩擦力達到最大，抗滑強度仍然維持在一個較高水平，隨著距離的增大，孔隙水壓力逐漸變?yōu)檎担|(zhì)吸力提供的強度全部喪失，加之上層覆土的重量逐漸減小，摩擦力隨之劇減，總抗滑強度也隨之減小為0。

3.3 坡體瞬態(tài)穩(wěn)定性分析

圖5 工況Ⅱ時不同時間下斜坡體內(nèi)孔隙水壓力分布圖Fig.5 Pressure field distribution of pore water in slope on conditionⅡin different time

為了解各個工況下降雨對邊坡的影響時間和大小，在設(shè)計的工況下，利用 Geostudio中由 Seep/w中的計算結(jié)果導入Slope/w中對其瞬態(tài)穩(wěn)定性進行了計算，繪制成穩(wěn)定系數(shù)隨時間變化曲線，如圖8所示:

總體上，在降雨作用下，三種工況下的穩(wěn)定系數(shù)都是在不斷降低，由圖8的三種工況下的穩(wěn)定系數(shù)變化圖可以看出，在前期降雨達到0.5d時，穩(wěn)定系數(shù)都有一定量的增加，這是由于非飽和土在初始含水量較低時，隨著含水率的增加，粘聚力先增加然后減小。從圖8(a)可以看出，庫水位保持在145m時，在一定量的前期降雨量后，高強度降雨對邊坡的穩(wěn)定性影響很不利，由于降雨入滲需要一個過程，在暴雨來臨之后各方案條件下邊坡都是在約1.5 d的穩(wěn)定系數(shù)第1次迅速降低。在工況Ⅰ下，第一次高強度的暴雨來臨后，穩(wěn)定系數(shù)迅速下降，由圖8(a)可以看出，在降雨作用下，穩(wěn)定系數(shù)總體呈下降趨勢，第一次暴雨之后，穩(wěn)定系數(shù)有一個驟降，隨著時間的增加，雨水向深層運動，穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低，到第二次暴雨來臨之后，穩(wěn)定系數(shù)再一次出現(xiàn)驟降。

圖6 工況Ⅲ時不同時間下斜坡體內(nèi)孔隙水壓力分布圖Fig.6 Pressure field distribution of pore water in slope on conditionⅢin different time

圖7 非飽和土強度與滑帶位置關(guān)系圖Fig.7 The relationship between Location of Slip zone and Strength of Unsaturated soil

圖8 各種工況下穩(wěn)定性系數(shù)隨時間變化圖Fig.8 Factor of safety under various conditions overtime

工況Ⅱ下，庫水位保持在175m，由于地下水位較高，天然狀態(tài)下穩(wěn)定系數(shù)為1.031，第一次暴雨后穩(wěn)定系數(shù)迅速降低到1以下。

工況Ⅲ下，庫水位由175m以1m/d下降，初始狀態(tài)下穩(wěn)定系數(shù)為1.031，第一次暴雨后穩(wěn)定系數(shù)迅速降低到1以下，與工況Ⅱ比較，工況Ⅲ的穩(wěn)定系數(shù)下降更為迅速。表明庫水位下降情況與降雨耦合的情況對穩(wěn)定性影響最為不利。

3.4 坡體滲流特性變化分析

綜合來看，工況Ⅰ降雨使滑坡穩(wěn)定系數(shù)由1.204下降至1.169，滑坡屬于穩(wěn)定狀態(tài)，工況Ⅱ與工況Ⅲ下，均在第3天時，滑坡失穩(wěn)。另外由圖8可知，庫水位對滑坡的穩(wěn)定系數(shù)影響較降雨作用更直接?；娴母鱾€位置的負孔隙水壓力如圖9所示，

圖9 各工況下滑面壓力水頭歷時曲線Fig.9 Curve of pressure head duration on every condition

由于降雨強度小于上滑帶的飽和滲透系數(shù)，坡頂處的直至滑坡發(fā)生都未能達到飽和狀態(tài)，但是根據(jù)圖9可知，滑坡表面在降雨的極短時間內(nèi)，負孔隙水壓力急劇減小，基質(zhì)吸力接近為零，隨著降雨持時的增加，滑坡表面的負孔隙水壓力在-5kPa左右小幅度變化，降雨對滑面中部的負孔隙水壓力影響較小;工況Ⅰ下，坡腳處的負孔隙水壓力在0左右小幅變化，在工況Ⅱ和工況Ⅲ下，坡腳處的負孔隙水壓力受到庫水位的影響很大。工況Ⅱ時，坡腳處的孔隙水壓力達到20kPa。工況Ⅲ時坡腳處的孔隙水壓力由23kPa逐漸減小到0。由滑面壓力水頭變化情況可知，土中基質(zhì)吸力的喪失是非飽和土坡發(fā)生滑坡的主要原因，坡腳處的孔隙水壓力變化對滑坡的穩(wěn)定性影響較大。

4 結(jié)論

庫水位下降和降雨是導致滑坡的兩個重要因素。本文通過實測降雨和庫水位耦合情況下的暫態(tài)飽和與非飽滑坡滲流的有限元分析，結(jié)合實例計算，得到如下結(jié)論:

(1)庫水位下降和降雨是導致滑坡的兩個重要因素，在滑坡地下水位較淺時，降雨入滲容易使滑坡地下水位上升，引起非飽和土中基質(zhì)吸力的喪失是導致土坡穩(wěn)定性急劇降低的主要原因。鶴峰鄉(xiāng)場鎮(zhèn)滑坡在庫水位為145m與降雨耦合情況下，穩(wěn)定系數(shù)1.15，不會失穩(wěn)產(chǎn)生滑動;在降雨與庫區(qū)水位175m和175m陡降至145m等因素耦合情況下，滑動面抗剪強度降低，抗滑力減小，下滑力增大，穩(wěn)定系數(shù)一般小于1.10、在0.94～1.10，處于極限平衡狀態(tài)及不穩(wěn)定狀態(tài)。本文撰寫時，勘察報告已對鶴峰鄉(xiāng)場鎮(zhèn)滑坡穩(wěn)定性進行了計算，本文計算結(jié)果與鶴峰鄉(xiāng)場鎮(zhèn)滑坡穩(wěn)定性結(jié)果相一致，證明本文計算方法具有可靠性。

(2)雨水入滲需要一個過程，所以邊坡的穩(wěn)定系數(shù)隨著降雨歷時的衰減有一個滯后。穩(wěn)定系數(shù)均是在暴雨來臨后的1.5d后出現(xiàn)驟降，這一點結(jié)論與實際情況相符合。

(3)基于飽和-非飽和滲流數(shù)學模型，運用延伸的摩爾庫倫強度理論，對鶴峰鄉(xiāng)場鎮(zhèn)滑坡進行了極端降雨與庫水位耦合情況下的飽和-非飽和滲流場計算和穩(wěn)定性分析。本文采用實測的降雨資料與三峽水庫庫水位調(diào)度方案相耦合，使計算更加接近實際情況，具有一定的實用價值。

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Stability analysis of Changzhen landslide in considering saturated and unsaturated seepage effects

LI Jun-ye，TANG Hong-mei，CHEN Hong-kai，ZENG Rong
(Institute of Geotechnical Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

As the existence of pore water pressure in the rocks and soils，the analysis of the Mechanical properties of the matericals.becomes more complicated，Studying of saturated-unsaturated seepage has been a big and difficult problems in geotechnical engineering.Based on the water level scheduling scheme and the rainfall measured data in the Three Gorges Reservoir＇s，Using the limit equilibrium theory and Morgenstern-Price slice method Analyzed transient stability of HeFeng landslide Xiangchang Fengjie of Changqing in the three conditions，Researched time effects of slope stability of water moving in the slope body.The results show that:In the condition of the coupling of the 145m reservoir water level and rainfall，the stability coefficient of of Changzhen landslide in is 1.15，and will not loose stability or slide;Under the coupling of the 175m reservoir water level and steep dropping from 175m to 145m，the stability coefficient Ranged between 0.94～1.10，the landslide was in the limit equilibrium and unstable condition.

engineering geology;saturated-unsaturated seepage;stability analysis;coupling;landslide;Three Gorges Reservoir Area;Fengjie of Chongqing City

1003-8035(2010)04-0001-07

P642.22

A

2010-05-26;

2010-07-19

重慶市重點自然科學基金項目(2008BA0015);中國博士后科學基金特別資助項目(200902288);全國高校博士點基金(20080430095)

李俊業(yè)(1985-)，男，內(nèi)蒙古巴彥淖爾市人，碩士研究生，從事巖土工程及水工結(jié)構(gòu)研究。

E-mail:lijunye_2008@yeah.net